LTE技術在城市軌道交通行業的應用進展及相關思考

凌喜華

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610081）

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LTE技術在城市軌道交通行業的應用進展及相關思考

凌喜華

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610081）

摘 要：從實際應用的角度跟蹤和總結了LTE技術在城市軌道交通行業應用的政策和標準化進展、業務需求、傳輸帶寬需求構成、應用進展及模式、應用產品情況，并對后續應用需關注的頻率規劃、核心網組網方式、干擾控制等主要技術問題進行了分析，為總體把握其應用進展以及開展后續規劃建設工作提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通；通信網；LTE；標準化；業務需求；頻率；應用

目前國內城市已開通的城市軌道交通信號系統普遍采用工作在 2.4GHz 公用頻段的無線局域網（WLAN）技術。2.4GHz 公用頻段網絡易受干擾、攻擊，存在安全隱患。根據全國多個城市軌道交通線網規劃與建設規劃，城市軌道交通將向衛星城及城市間經濟圈延伸，最高運行速度將超過 100km/h，而當前城市軌道交通選用的 WLAN 車地無線系統無法支持列車高速移動的矛盾將越來越突出。

1　政策及標準化工作進展

1.1政策

針對城市軌道交通車地無線通信采用無線局域網技術存在的安全隱患等問題，2015 年3月發布的工信部無[2015] 65號文件明確規定，交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業可采用 1785～1805MHz 頻段時分雙工（TDD）方式組建企業專用無線網絡，解決了城市軌道交通車地無線寬帶通信網的專用頻率資源問題，至此，掀開了長期演進（LTE）技術在城市軌道交通行業規模化試驗和試用的帷幕。

1.2標準化工作

為實現城軌專用通信系統的互聯互通、生產的規范化和工程實施的標準化，規范使用工信部無 [2015] 65號文中指定的 1785～1805MHz專用通信頻段，在交通部及國家發改委的指示下，中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會近年來牽頭開展了相關規范的制定工作，在遵循第三代合作伙伴計劃（3GPP)、寬帶集群（B-TrunC）相關規范的基礎上開展了《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》制定工作。

LTE-M 是針對城市軌道交通綜合業務承載需求的分時長期演進（TD-LTE）系統，它在保證基于通信的列車控制（CBTC）系統車地信息傳輸基礎上，可同時傳輸視頻監控（IMS）、乘客信息系統（PIS）、列車運行狀態監測、集群調度業務等信息。該規范由 17 個子規范組成，具體為：《 LTE-M系統需求規范》、《 LTE-M系統總體結構及系統功能規范》、《 LTE-M系統空中接口規范》、《 LTE-M系統核心網間數據接口規范》、《 LTE-M系統設備技術規范》、《 LTE-M 終端設備技術規范》、《LTE-M系統承載CBTC業務及接口規范》、《 LTE-M系統核心網間語音接口規范》、《 LTE-M系統互聯互通測試規范》、《 LTE-M系統設備測試規范》、《 LTE-M 終端設備測試規范》、《 LTE-M系統測試規范》、《 LTE-M系統工程設計規范》、《 LTE-M 網絡 IP 地址分配規范》、《 LTE-M系統設備編碼規范》、《 LTE-M系統施工規范》、《 LTE-M系統工程驗收規范》。

上述規范中的前 7 個子規范已于 2016 年2月發布并將于 2016 年5月4日起試行，此批規范的發布為 LTE 技術承載信號 CBTC 業務相關應用的工程項目前期工作（網絡規劃、工程設計、產品設計等）提供了重要技術指導和依據。各子規范分別在下述方面做出了規定。

（1）LTE-M系統的網絡業務需求、網絡配置需求、車載終端需求和手持臺需求。

（2）城市軌道交通領域 LTE-M系統的指導原則和應用場景、業務與功能、系統總體架構、接口要求、編號與編址原則、用戶管理、同步要求和安全要求等。

（3）基于 LTE 技術的城市軌道交通領域 LTE-M系統的空中接口（第 1 階段）的物理層、層二和層三協議。

（4）城市軌道交通領域 LTE-M系統應用于互聯互通線路運營時核心網間數據接口總體要求、跨線切換的接口需求、終端跨移交及故障恢復過程、跨線切換及故障恢復的通信流程和跨線切換及故障恢復的性能要求等。

（5）城市軌道交通領域 LTE-M系統的網絡設備技術要求，標準定義了網絡設備的業務功能和性能要求、系統功能和接口要求、基站和核心網設備要求等。

（6）LTE-M 終端設備的技術要求，規范定義了終端設備的業務要求、功能要求、性能要求和相關接口要求。

（7）LTE-M系統承載 CBTC 業務的功能需求、性能需求、LTE-M系統與 CBTC系統的地面接口和車載接口等內容[1]。

2　城市軌道交通行業的主要需求

2.1生產業務需求

2.1.1列車運行控制業務

列車運行控制業務根據列車在線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態進行監督、控制和調整。根據自動運行的程度分為以下 4 個等級。

GOA1a：不連續監督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統在特定的位置上監督列車速度，等同于現有的點式控制方式。

GOA1b：連續監督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統連續地監督列車速度，等同于裝有 ATP。

GOA2：半自動運行，等同于裝有列車自動運行（ATO）。

GOA3：無司機運行，列車上不再安排專職司機，僅安排乘務人員以應對突發事件。

GOA4：無人監督運行，列車上不安排任何工作人員。

GOA1、GOA2 列車控制業務數據周期性發送，要求每路傳輸速率上下行分別不小于 256kbit/s；GOA3、GOA4 列車控制業務數據周期性發送，要求上下行每路傳輸速率分別不小于 512kbit/s。

2.1.2列車緊急文本下發業務

地面PIS服務器傳送緊急文本信息給車載PIS終端。為隨機性數據，要求傳輸速率不小于10 kbit/s。

2.1.3列車運行狀態監測業務

列車運行狀態監測業務是指列車運行狀態實時監測系統，它主要是將傳感器采集到的列車關鍵參數實時傳送到地面監測中心。

GOA1、GOA2 列車運行狀態監測業務要求上行每路傳輸速率不小于 24kbit/s，最大傳輸速率 80kit/s；GOA3、GOA4 列車運行狀態監測業務要求上行每路傳輸速率不小于 32kbit/s，最大傳輸速率104kbit/s，下行每路傳輸速率不小于 1kbit/s。

2.1.4視頻監控業務

將列車駕駛室、車廂的視頻監控圖像通過無線的方式實時傳輸到控制中心或地面監控站，進行集中監控。

2.1.5PIS 視頻業務

由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸到車廂內播放。要求能夠傳輸圖像分辨率為標清或高清的視頻。

2.1.6集群調度業務

集群調度業務是指線路運營、應急和維護等需要的各種語音、視頻和數據呼叫通信和管理業務[1]。

2.2網絡帶寬及頻率需求

綜合考慮上述業務需求，城市軌道交通生產業務車地無線通信需求總結見表 1。

表1　城市軌道交通生產業務車地無線通信需求

考慮到 CBTC 列車運行控制業務高可靠傳輸的要求，承載列車運行控制業務的 LTE-M系統地面設備應采用具有冗余備份功能的雙網（A 網、B 網）結構，2 個網絡的所有網元設備（包括核心網、基站、車載終端等）都是獨立的，其他業務由單網（B 網）承載。

2014年，中國城市軌道交通協會組織北京地鐵、北京交通大學、通號設計院、華為公司、中興公司、54所、鼎橋公司等單位在北京鐵科環線上完成了 TD-LTE系統通信性能測試[2]。

因此，結合生產業務車地無線通信需求分析和測試結果，并考慮今后的技術發展，總體需求如下。

（1）若按最低配置，僅滿足 CBTC 業務雙網，需要5 MHz×2的頻率資源。

（2）若采用優化配置，同時滿足 CBTC、IMS、PIS 等業務綜合承載，需要 5MHz + 15MHz 的頻率資源。

3　城市軌道交通行業的應用進展及模式

3.1城市軌道交通業主單位應用進展及模式

2015年3月發布的工信部無[2015] 65號文件寫明了1785～1805MHz 頻段為多行業共用的，其他行業（尤其是其他交通行業單位）對無線寬帶數據傳輸的需求也比較剛性，各地無線電管理部門為平衡來自各行業的頻率需求，基本不會在地上空間為城市軌道交通線網分配1785～1805MHz 的所有 20M 頻率，大多數城市的軌道交通行業可獲取的獨占頻率在 10M 左右，少部分為 15M，一線城市的頻率資源緊張程度更甚。

受制于頻率資源有限，在滿足信號系統頻率資源的前提下，相當多的城市不具備條件開展 LTE 的綜合承載，少數可在一定范圍內（部分地下線路）實施綜合承載。再加上各城市在建軌道交通線路條件不同，各城市軌道交通業主單位對分步推進 LTE 的思路也有差異。因此，存在多種切入 LTE 應用的模式，主要包括：直接用于解決 CBTC 列車運行控制業務需求；通過在 IMS、PIS視頻或集群調度業務中探索積累經驗，后續再應用于信號系統；直接開展包括 CBTC 列車運行控制業務的綜合承載。

3.2LTE系統設備供應情況

在全行業，愛立信、華為、諾西、阿朗占據主要LTE系統設備市場份額；在國內城市軌道交通行業，根據不完全統計，各 LTE 設備供應商的市場規模見表 2。

表2　LTE 設備供應商的市場規模

3.3應用產品研制及試用進展

LTE 網絡在城市軌道交通行業承載的業務中，CBTC 列車運行控制業務、集群調度業務實現需較為復雜的相應配套產品開發，LTE 承載 CBTC 列車運行控制業務的趨勢已很明確。因此，大多數信號設備供應商與LTE系統設備供應商已合作開展了產品研制工作，部分產品已進入試用階段，部分 LTE系統設備供應商也與其他公司合作進行了集群調度業務二次開發設備（調度臺、車載臺、固定臺）的研制。

3.3.1信號產品

LTE-M系統與 CBTC系統的地面物理接口位于核心網的網絡設備和/或 CBTC 傳輸網的網絡設備上，通過接口實現信息交互、LTE-M 設備工作狀態監測、數據記錄等功能；LTE 終端向 CBTC系統車載設備提供100BASE-T 的以太網絡接口，接口形式為 M12D Code，該接口實現信息交互、LTE-M 車載設備工作狀態監測、LTE-M 無線信號強度傳送、數據記錄的功能[1]。

根據不完全統計，大多數信號設備供應商與 LTE 設備供應商（主要為華為、中興、鼎橋）開展了實驗室或試驗線測試。

目前 LTE 承載 CBTC 暫無開通項目，LTE 承載CBTC 在建線路包括：北京燕房線（交控與鼎橋）、重慶 5號線（通號與華為）和 10號線（交控與華為）及環線（鐵科與中興）、上海 5號線（TST 與華為）、烏魯木齊 1號線（交控與中興）、武漢 7號線和 8號線（烽火與卡斯柯)、西安 3號線（西門子與鼎橋）等。

3.3.2集群二次開發產品

現階段廣州地鐵計劃在 14號線和 21號線采用 LTE承載集群調度業務，西安地鐵從 2014 年開始先做 LTE 承載集群調度業務研究及試驗（二次開發單位為西安雷迪公司），寧波地鐵也已進行了 LTE 承載集群調度業務測試驗證工作。

LTE 網絡承載城市軌道交通無線列調業務時，主要需考慮 2 個問題：與 TETRA系統的功能和性能對齊，包括呼叫功能、呼叫時延等；二次開發，包括調度臺、車載臺和固定臺、專用手持臺。

與 TETRA 技術相比，LTE 網絡承載城市軌道交通無線列調業務可以大大提高城市軌道交通維保工作在終端設置等方面的效率。目前，相關二次開發產品需要改進的方面主要有：適應無線調度臺、車載臺的使用者對終端設備操作簡潔性，確保關鍵功能可靠操作的需求；二次開發產品的網管能力。

4　后續應用的相關思考

4.1頻率規劃

頻率規劃應兼顧保障重點業務與提高頻率利用率。

承載 CBTC 業務時，LTE-M系統需采用異頻雙網冗余結構。

從某線路的角度考慮，若考慮采用 GOA3、GOA4的運行等級，A 網頻率需求為 5MHz、B 網根據是否綜合承載確定頻寬（不少于 5MHz）。在頻率總資源少于10MHz 的城市，A 網、B 網僅能均采用 3MHz、甚至1.4MHz 的頻寬。

從線網的角度考慮，涉及換乘站頻率規劃、地面站及場段頻率規劃等問題。地下非同站臺換乘多為異層換乘，因為上下 2 層的建筑結構提供了至少 20dB 的穿透損耗，加上空間傳播損耗，綜合看可以采用同頻組網空間隔離的方法解決。同臺換乘情況下實施方案，核心的思想是工程與系統相結合，主要有以下 2 種方式來實現同臺換乘下的無線部署。

（1）交匯區域 2 條線路采用不同的頻率，此方案需要另分配 2 組 A 網、B 網頻率給 CBTC，2 條線路頻率完全分開，互不干擾，見圖 1，但是 PIS 及視頻監控監視子系統（CCTV）業務帶寬受限。交匯區基站覆蓋范圍內的列車較其他基站的少。因此，交匯區基站頻寬可采用 1.4MHz。

（2）交匯區域由其中 1 條線路無線覆蓋。此方案規劃時，若 2 條線路未共用核心網，則另 1 條線路的列車進出此區域需要進行 2 次跨網漫游切換，而 LTE-M 互聯互通測試結果已經表明跨網切換依然能滿足 CBTC 要求；若 2 條線路共用核心網，則另 1 條線路的列車進出此區域進行 2 次跨基站的切換，見圖 2。

圖1　同站臺換乘異頻組網方案

圖2　同站臺換乘同頻組網方案

地面各場段原則上采用同頻組網方式，為合理控制場段基站的覆蓋范圍，出入段線范圍應采用漏纜等室外分布系統覆蓋，檢修庫等應通過室內分布系統覆蓋，不宜在檢修庫安裝大型室外天線。

4.2核心網組網方式

所有移動通信系統的基站選型須與核心網選型匹配，基本為同一供應商的設備，另一方面，從設備故障影響面角度來說，多線共用核心網設備故障影響面比較大，且對核心網的維護檢修等工作難以安排。因此，應控制多線共用主要核心網（MME/SGW/PGW 等）設備的線路規模。同一個城市內可只建設 1 對熱備的核心網內的用戶數據服務器（HSS），統一的 HSS 可以保證全市的列車統一管理。所有的核心網都通過 S6a 接口與HSS 連接[3]。在前期規劃線路時，需提前考慮好哪些線路間需要實現互聯互通，并且做好相應 IP 地址規劃。

4.3多輸入多輸出（MIMO）技術

MIMO 技術在發射端和接收端均采用多天線和多通道。關于在城市軌道交通中的應用，對于集群或者CBTC 等帶寬需求不高的業務，MIMO 基本可不用考慮，若采用業務綜合承載方式的可考慮使用 MIMO 技術。從實際應用角度看，MIMO 除了信號與干擾加噪聲比（SINR）的要求外，對于雙路的相關性也有要求，為滿足 MIMO 使用條件，要求 2 根漏纜之間的間距最少相差 70cm。具備雙漏纜敷設條件時，MIMO 功能可讓小區下行平均帶寬增加 70% 左右，對于城市軌道交通的 PIS 業務，在靠近 RRU 的近點才能滿足 MIMO 的要求。因此，MIMO 不能改善邊緣帶寬，但有助于拉高速率平均值。

4.4與其他系統的干擾控制

城市軌道交通 LTE 專網頻段在 1785～1805MHz 范圍內，根據目前的公網頻譜分配，與專網頻段干擾最大的是移動 DCS1800 : 1805～1830MHz（下行）和電信FDD : 1755～1785MHz（上行）。

與 1.8G TDD 頻段高頻部分相鄰的是全球移動通信系統（GSM）下行頻段。因此，主要干擾是 GSM系統基站發射對LTE系統基站接收造成的干擾。這類干擾分為雜散、阻塞、互調 3 種類型。TDD系統與 GSM系統之間的頻段間隔要求為 600k，可以保證雜散干擾的隔離度要求。互調干擾雖然對隔離度要求最高，但 GSM系統頻率資源較為豐富，可以通過頻率調整來減小互調干擾對 TDD 的影響。若相鄰的 LTE系統帶寬為 1.4M、發射功率為 40W，GSM 總發射功率為 80W。當地上段地鐵采用漏纜、移動采用定向天線，且兩系統無頻段隔離時，阻塞干擾對空間隔離的距離要求為 0.01km，比較容易滿足。

與 1.8G TDD 頻段低頻部分相鄰的是 LTE FDD 上行頻段，主要干擾是 LTE TDD系統基站發射對 LTE FDD系統基站接收造成的干擾。2 個 LTE系統之間基站對基站的干擾，相對來講，雜散干擾對隔離度的要求最高。極端情況下，若相鄰的 LTE系統的發射帶寬分別為 1.4M 和 10M，發射功率都為 40W。2 個 LTE系統頻率相鄰，互相之間隔離度與間隔距離要求與兩網所用天饋系統有關。當地上段地鐵采用漏纜、電信采用定向天線時，兩系統無頻段隔離、有 1.6M 頻段隔離、有 5M 頻段隔離時，空間隔離距離要求分別為 0.63km、0.5km、0.06km；地下段地鐵與電信均采用漏纜時，由于兩邊的漏纜各自的耦合損耗相加約 134dB 左右，已經超過最惡劣場景下的隔離度要求，因此，對空間距離不再有額外的隔離要求。

5　結束語

綜上所述，LTE 技術在城市軌道交通行業規模化應用的政策條件、相關技術標準條件、產品條件已基本具備，各城市軌道交通業主單位可綜合考慮自身業務需求結構、頻率資源等情況選擇應用模式，并在應用中開展頻率規劃、選擇合適的核心網組網方式及干擾控制方式等。

參考文獻

[1] 中城裝備[2016]009號 關于發布《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M)規范》中7個子規范的通知[S]. 2016.

[2] 中城軌[2015]008號 關于轉發工信部1785-1805 MHz頻段使用通知事宜通知及有關落實工作的意見[S]. 2015.

[3] 孫震強，朱彩勤，毛聰杰，等. 構建運營級LTE網絡[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

責任編輯 冒一平

技術裝備

Application Progress and Thoughts on LTE Technology in Transit

Ling Xihua

Abstract:From the aspect of practical application of the LTE technology in urban rail transit, the paper follows and summarizes the application of the policy and standardization development and business needs, composition of transmission bandwidth demand, application progress and mode, products etc., and it analyzes subsequent application issues including the frequency planning, core networking, interference control and other main technical difficulties , and it provides the reference for the overall control of the application progress and carries out the follow-up work of planning and construction.

Keywords:urban rail transit, communication network, LTE, standardization, business requirements, frequency, application

中圖分類號：U231.7

作者簡介：凌喜華（1964—），男，高級工程師

收稿日期2016-04-07